Гидродинамические передачи

20

ристики с индексом 1). Схема обтекания реакторов потоком жидкости для данного режима работы гидротрансформатора приведена на рис.11, а.

Рис. 10. Конструктивная схема (а) и внешняя характеристика (б) четырёхколёсного комплексного гидротрансформатора

Рис. 11. Схемы обтекания реакторов четырёхколёсного комплексного гидротрансформатора потоком жидкости

21

В точке с внешней характеристики реактор Р1 перестает взаимодействовать с потоком жидкости, т.е. Mp1= 0 (рис.11, б). При увеличении скорости вращения турбины более ω с крутящий момент на этом реакторе меняет направление и благодаря муфте свободного хода (MCX1 на рис.10,а) реактор Р1 начинает вращаться. Теперь направляет поток только реактор Р2 (рис.11, в), т.е. имеем второй гидротрансформатор, характеризующийся малыми преобразующими свойствами (характеристики с индексом 2). Данный режим работы гидротрансформатора представляется участком С - А внешней характеристики на рис.10, б.

В точке А становится бесполезным также и реактор Р2 (рис.11, г). При ω Т > ω А этот реактор начинает вращаться благодаря муфте МСХ2.

Таким образом, на участке А - Д внешней характеристики гидротрансформатор работает как гидромуфта (рис. 11, д). В точке Д гидротрансформатор работает в режиме холостого хода. График КПД показывает, что такой комплексный гидротрансформатор имеет высокий КПД почти во всем диапазоне тягового режима работы от i = 0,35 до

i = 1.

Плавная моментная характеристика (О – С – А – Д) данного гидротрансформатора является почти идеальной для тяговых режимов работы многих мобильных машин.

Очевидно, что приведенные внешние характеристики трех- (рис.9, б) и четырехколесного (рис.10, б) гидротрансформаторов являются теоретическими, т.к. вращающиеся реакторы все же оказывают небольшое сопротивление потоку, и на само их вращение надо затрачивать энергию. Поэтому реальный КПД несколько ниже теоретического.

В приводах с гидротрансформатором получить в заданном режиме КПД, практически равный КПД обычной механической передачи (η = 0,9-0,95), удается, если этот гидротрансформатор блокируемый.

Блокируемым называют гидротрансформатор, у которого на заданном режиме работы можно осуществить жесткое соединение насосного и турбинного колес.

Как показывают исследования, особенно целесообразно делать блокируемыми гидротрансформаторы с осевой и центробежной турбинами при их работе на режимах, когда коэффициент трансформации становится меньше единицы.

На рис.12, а приведена конструктивная схема блокируемого гидротрансформатора, в основе конструкции которого использован обыч-

22

ный гидротрансформатор с осевой турбиной и имеющий режим холостого хода при i > l (рис.12, б).

Рис. 12. Конструктивная схема (а) и внешняя характеристика (б) гидротрансформатора, блокируемого при помощи муфты свободного хода

В данной конструкции гидротрансформатора между кожухом, жестко связанным с насосным колесом, и турбиной установлена муфта свободного хода МСХ.

На всех режимах работы, когда ω т < ω н, трансформатор работает как обычный. Муфта свободного хода срабатывает (заклинивает насосное и турбинное колёса) автоматически при i =1 (когда ω т= ω н), не позволяя турбинному колесу обогнать насосное. При этом на характеристике как бы отсекается зона с низкими значениями Мт и η .

На рис.13 приведена схема и внешняя характеристика комплексного гидротрансформатора, блокируемого с помощью фрикционной муфты ФМ.

Из характеристики (рис. 13, б) видно, что при 0< ω т< ω А гидротрансформатор работает с трансформацией момента (k>1). При ω т ≥ ω А происходит переход на режим работы гидромуфты (k= 1). Блокировка рабочих колес гидротрансформатора осуществляется оператором машины или каким-либо автоматическим устройством при достижении требуемой скорости вращения турбины.

23

Рис. 13. Конструктивная схема (а) и внешняя характеристика (б) комплексного блокируемого гидротрансформатора

На рис.13, б показана блокировка при ω т= ω Б. Блокировку желательно производить при скоростях вращения турбины, близких к скорости вращения насосного колеса, чтобы избежать резкого рывка турбины при включении фрикционной муфты.

В блокируемых гидротрансформаторах на режиме блокировки мощность приводного двигателя расходуется не только на выполнение полезной работы по преодолению нагрузки и преодоление механических сопротивлений в подшипниках, уплотнениях и т.п., но и на дисковое трение, на циркуляцию рабочей жидкости в лопастной системе, которая состоит как бы из одного двухступенчатого насосного колеса (насосное плюс турбинное колеса) и неподвижного реактора, который тормозит движение сблокированных колес. Поэтому для уменьшения потерь на режимах блокировки из рабочей полости удаляют жидкость, исключая дисковые и циркуляционные потери.

Комплексные и блокируемые гидротрансформаторы находят применение в приводах с тяжелыми режимами работы, к которым относят приводы автомобилей, тракторов, тепловозов, судов, строительных, дорожных, буровых, горных и других машин и механизмов.

24

1.6. Схемы и конструкции автомобильных гидромеханических коробок передач

Режимы работы автомобилей отличаются весьма большим разнообразием в сравнении, например, с режимами работы тепловоза. В данном случае гидротрансформатор не в полной мере обеспечивает требуемый диапазон передаточных отношений при высоких КПД, отключение ведущего вала от ведомого и движение автомобиля задним ходом. Вследствие этого обычно гидротрансформаторы применяют в сочетании со ступенчатыми механическими коробками передач – комбинированные гидромеханические коробки передач.

Гидромеханическая коробка передач состоит из гидротрансформатора, ступенчатой механической коробки передач с механизмами переключения и системы управления. Ступенчатые механические коробки передач выполняют с неподвижными осями зубчатых колёс или планетарными. Системы управления чаще всего гидравлические или электрогидравлические.

На рис.14 показана кинематическая схема двухступенчатой гидромеханической коробки передач. Вращение от приводного двигателя передается к входному валу 1 (иногда через согласующий редуктор, который на данной схеме не показан) и насосному колесу гидротрансформатора 3.

Рис. 14. Кинематическая схема двухступенчатой гидромеханической коробки передач автомобиля

25

Через жидкость, находящуюся в рабочей полости гидротрансформатора, приводится во вращение турбинное колесо и связанный с ним ведущий вал 22.

Вместе с насосным колесом сразу начинает работать передний шестерённый насос 4 (с внутренним зацеплением шестерён), обеспечивающий питание гидравлической системы управления (на схеме не показано).

Внейтральном положении фрикционы 2, 6 и 7 выключены, и крутящий момент на выходной вал 14 не передаётся.

Для трогания с места на первой (понижающей) передаче системой управления включается фрикцион 6. Вращение и крутящий момент передаются через гидротрансформатор, фрикцион 6, шестерни 5, 19, 18 и зубчатую муфту 9 выходному валу 14. Переход на вторую (прямую) передачу происходит автоматически при достижении определённой заданной скорости движения. Это осуществляется при помощи центробежного регулятора 16, который даёт сигнал системе управления на выключение фрикциона 6 и одновременное включение фрикциона 7. В этом случае входной вал 22 и выходной вал 14 связаны фрикционом 7 напрямую. При больших скоростях движения автомобиля, когда начинает снижаться КПД гидротрансформатора (правее точки А на рис. 13), центробежный регулятор 16 включит ещё и фрикцион 2, соединяя насосное и турбинное колёса гидротрансформатора, т.е. блокирует его.

Для движения задним ходом зубчатая муфта 9 перемещается с помощью поводка 10 в правое по рисунку положение при подаче сжатого воздуха в пневмоцилиндр 12. Возврат в исходное (левое) положение зубчатой муфты 9 осуществляется пружиной 11.

Смещение зубчатой муфты 9 в правое положение обеспечивает соединение шестерни 13 с выходным валом 14. Включение фрикциона 6 осуществит передачу вращения от ведущего вала 22 через шестерни 5, 19, 17,15, 13 и зубчатую муфту 9 выходному валу 14. Наличие промежуточной шестерни 15 обеспечит обратное вращение выходного вала 14.

Впоследние годы вместо двухступенчатой гидромеханической коробки передач применяются более совершенные трёх-, четырёх- и даже пятиступенчатые коробки передач.

1.7. Гидромеханическая коробка передач автомобиля – самосвала БелАЗ – 540

Большегрузные автомобили БелАЗ в зависимости от модели оснащаются трёх – или пятиступенчатыми гидромеханическими коробками

26

передач. На рис.15 показана трёхступенчатая гидромеханическая коробка передач автомобиля БелАЗ – 540.

Рис. 15. Гидромеханическая коробка передач автомобиля БелАЗ – 540

Основными элементами коробки передач являются: вал согласующего редуктора 1, гидротрансформатор 2, ведущий вал 3, фрикционы, соответственно, первой 4, второй 5, заднего хода 8 и третьей 10 передачи, тормоз – замедлитель 6, поддон – бак 7, маслоприёмник 9, выходной вал 11 и сдвоенный шестерённый насос 12.

27

Для управления коробкой передач используется электрогидравлическая система управления (рис. 16).

Рис.16. Система управления гидромеханической коробкой передач автомобиля БелАЗ-540

В её состав входят:

Н1 – двухсекционный насос, у которого Н1.1 – секция гидротрансформатора и Н1.2 – главная насосная секция;

КП – подпорный клапан, ограничивающий давление в линии 2 на уровне 0,4 0,45 МПа;

ПК – предохранительный клапан; РК – редукционный клапан; ОК – обратный клапан;

П1, П2, П3 и Пз.х. – пилоты управления включения, соответственно, первой, второй, третьей передач и заднего хода;

28

ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 и ЗУз.х. – золотники включения фрикционов соответствующих передач;

ЗТЗ – золотник включения тормоза – замедлителя; ПУ – пилот управления тормоза – замедлителя;

Ф1 – основной фильтр с перепускным клапаном, настроенным на давление 0,2 0,25 МПа;

Ф2 – входной фильтр маслоприёмника; МО – маслоохладитель.

Кроме того на схеме (рис. 16) показаны насосы: Н2 – насос системы рулевого управления;

Н3 – насос системы опрокидывающего механизма платформы. В состав самой гидромеханической коробки передач входят: СР – согласующий редуктор; ГТ – четырёхколёсный комплексный гидротрансформатор;

ФМ1, ФМ2, ФМ3 и ФМз.х. – фрикционы включения соответствующей передачи;

ТЗ – тормоз – замедлитель; В1, В2 и В3 – валы, соответственно, входной, ведущий и ведомый;

Ш1 Ш17 – зубчатые шестерни согласующего редуктора и соответствующих передач коробки.

В нейтральном положении, когда выключены все фрикционы, вращение от приводного двигателя через карданный вал передаётся входному валу 1 и через шестерни Ш1, Ш2 и Ш3 насосному колесу гидротрансформатора, которое осуществляет передачу энергии жидкости, находящейся в рабочей полости гидротрансформатора, и через неё обеспечивает вращение турбинного колеса с присоединённым к нему ведущим валом В2. Одновременно через шестерни Ш4 Ш8 получают вращение все три насоса Н1, Н2, Н3.

Насосная секция Н1.1 подаёт масло по линиям 2, 4, 5, 6 на смазку механической части коробки передач.

Одновременно по линии 3 масло подаётся в рабочую полость гидротрансформатора и через обратный клапан ОК, линию 9, фильтр Ф1 и маслоохладитель МО возвращается во всасывающую линию 1 насоса Н1. Образовавшаяся циркуляция масла через рабочую полость гидротрансформатора, фильтр Ф1 и маслоохладитель МО исключает перегрев масла и его хорошую очистку. При возрастании давления в линии 2 клапан КП открывает и перепускает часть масла по линии 8 в линию 1, стабилизируя давление на уровне 0,4 0,45 МПа.

29

Трубопровод 8 имеет определённое сечение, что исключает резкие падения давления при работе клапана КП.

Главная насосная секция Н1.2, также вступив в работу, подаёт масло в линию 10 и далее в линии 13, 14 и 15 системы управления фрикционами. Из линии 10 масло поступает по линии 11 в редукционный клапан РК, золотник которого с ростом давления в линии 11 до 0,6 0,65 МПа переместится из крайней левой позиции в нефиксиро-

ванную среднюю позицию и пропустит масло по линии 12 в линию 2, помогая насосной секции Н1.1 поддерживать требуемое избыточное давление. По мере увеличения частоты вращения вала двигателя увеличивается подача масла насосом Н1.2 и золотник редукционного клапана перемещается дальше влево, соединяя линию 11 ещё и со сливом, но не напрямую, а дросселируя поток масла. Этим обеспечивается стабилизация давления на выходе из насоса Н1.2 (в линиях 10, 11, 13, 14 и 15) на отмеченном выше уровне при любой повышенной скорости вращения вала приводного двигателя. В качестве аварийной защиты гидросистемы установлен предохранительный клапан ПК, настраиваемый на давление 1,9 2,2 МПа.

Для трогания с места водитель, перемещая рычаг пульта управления (на схеме не показан), включает электромагнит пилота управления П1, который, переместившись во вторую (правую по чертежу) позицию, обеспечит подачу масла по линии 15 под торец золотника переключения первой (понижающей) передачи ЗУ1. Золотник ЗУ1 переключится во вторую позицию, пропуская масло из линии 14 в линию 19, по которой масло поступит в гидроцилиндр включения фрикциона первой передачи ФМ1. Включившийся фрикцион ФМ1 обеспечит передачу вращения от ведущего вала В2 через шестерни Ш9 и Ш10 ведомому валу В3 и далее колёсам автомобиля.

Включение других ступеней передач осуществляется аналогичным образом при включении соответствующих пилотов управления, золотников переключения и фрикционных муфт. Подвод жидкости к золотникам переключения осуществлён таким образом, что исключает возможность включения каких-либо двух степеней передач одновременно. Система включения передачи заднего хода имеет отличие. При включении пилота управления Пз.х. золотник переключения ЗУз.х. осуществит соединение линии 22 с напорной линией 14. По линии 22 масло поступит во фрикцион ФМз.х., который обеспечит соединение ведомого вала В3 с ведущим валом В2 через шестерни 15, 16, 17. Одновременно из ли-